 |
BMe Kutatói pályázat |
|
Oláh György Doktori Iskola
BME-VBK, Szerves Kémia és Technológia Tanszék
Témavezetők: Dr. Grün Alajos és Dr. Keglevich György
Oldószerek és a reagensek hatásának átfogó vizsgálata a biszfoszfonát-származékok szintézisében
A kutatási téma néhány soros bemutatása
A kutatómunkám során a foszfortartalmú gyógyszerkészítmények egyik kiemelkedő fontosságú csoportjával, a nagyértékű α-hidroxi-metilénbiszfoszfonsavakkal (dronsavakkal) foglalkozom, pontosabban szintézisük hatékonyabbá, illetve környezetbarátabbá tételével, az irodalomban szereplő félrevezető adatok tisztázásával, és képződési mechanizmusuk felderítésével [S1-S10].
A kutatóhely rövid bemutatása
A BME Szerves Kémia és Technológia Tanszékén, Dr. Keglevich György egyetemi tanár által vezetett Környezetbarát és Foszforkémiai Kutatócsoportban különböző – számos esetben új – foszfortartalmú vegyületek (P-heterociklusok, foszfonsavak, biszfoszfonsavak, aminofoszfonsavak, hidroxi-foszfonátok, átmeneti fémkomplexekben hasznosítható P-ligandok) szintézisével és hasznosításával, szelektív átalakításokkal, fázistranszfer reakciók vizsgálatával foglalkozunk mikrohullámú és oldószermentes körülmények között. A kutatócsoportban elért jelentős eredmények kiemelkedő fontosságát nagyszámú közlemény igazolja.
A kutatás történetének, tágabb kontextusának bemutatása
A biszfoszfonsavak két öt vegyértékű, tetrakoordinált foszforatomot, pontosabban két foszfonát-csoportot és egy P-C-P kötést tartalmazó vegyületet tartalmaznak, melyek szerkezete jelentősen hasonlít a csontrendszerünk fontos építőanyagát adó pirofoszforsav (P-O-P kötést tartalmazó) szerkezetére (1. ábra). Ebből kifolyólag meggátolják a kalcium szervezetből való kiürülését azáltal, hogy a hidroxiapatit kristályokhoz hozzákötődve megkötik azt [1].
1. ábra: A biszfoszfonátok és a pirofoszfátok szerkezeti hasonlósága
A dronsavak között számos gyógyszeripari hatóanyag található, melyek alapvető fontosságúak a csontanyagcsere betegségek, mint például a posztmenopauzás oszteoporózis (2. ábra) vagy a Paget-kór terápiájában, de újabban egyre több közlemény szól a direkt daganat- (mell, prosztata) és parazitaellenes hatásukról is, így egyre növekszik irántuk az érdeklődés, ezért az előállításuk vizsgálata fontos kutatási terület [2-5].
2. ábra: Egy egészséges és egy csontritkulásban szenvedő beteg csontszövete
A biszfoszfonsav-származékok a központi szénatom szubsztitúciójában térnek el egymástól. Az egyik helyettesítő lehet a hidrogén- vagy klóratom, de a legjellemzőbb a hidroxilcsoport. A másik helyettesítő szerint 3 nagy csoportot különböztetnek meg az irodalomban. Az első generációs molekulák az oldalláncukban nem tartalmaznak nitrogénatomot, míg a második generációs vegyületek nitrogéntartalmú alifás helyettesítővel rendelkeznek, a harmadik generációs származékok pedig N-heterociklusos szubsztituenst tartalmaznak. Az oldalláncok a biológiai hatást jelentősen befolyásolják [2,3].
A kutatás célja, a megválaszolandó kérdések
A biszfoszfonátok előállításával számos közleményben foglalkoznak, de az ezekben szereplő adatok gyakran zavarosak, egymásnak ellentmondóak, félrevezetők, megbízhatatlanok, és a vegyületek szintézisének mechanizmusa egyáltalán nem tisztázott az irodalomban. A dronsavak leggyakoribb, az iparban alkalmazott előállítása során a megfelelő karbonsavat vagy karbonsav-származékokat (savklorid, savanhidrid vagy észter) reagáltatnak különböző reagensekkel, többek között foszfor‑trikloriddal, foszforossavval, foszfor-oxikloriddal vagy foszfor-trioxiddal. Legjellemzőbb a foszfor-triklorid és a foszforossav használata P‑reagensként [3,S7]. A kutatás és a doktori munkám célja az ellentmondások tisztázása, a reakciók ideális körülményeinek a feltárása, a megfelelő P-reagensek kiválasztása, és ezek optimális arányának a megállapítása, valamint egy hatékony, magas hozamú termelést biztosító, az iparban jelenleg alkalmazott eljárásoknál környezetkímélőbb eljárás kidolgozása a gyógyszeripari szempontból kiemelkedő fontosságú biszfoszfonsavak előállítására. Így célunk a dronát szintézisek során széles körben használt korrozív és nem támogatott oldószer, a metánszulfonsav (MSzS) kiváltása kisebb környezeti terhelést jelentő oldószerekkel, például szulfolánnal vagy ionos folyadékokkal (IF).
3. ábra: A szerves szintézisekben leggyakrabban használt ionos folyadékok
A szerves kémiai szintézisekben egyre szélesebb körben használják az IF-okat, mivel zöld oldószereknek tartják őket alacsony illékonyságuk, újrahasznosíthatóságuk és visszaforgathatóságuk miatt. Elsőként tanulmányozzuk átfogóan a biszfoszfonátok szintézisét IF-okban. A reakció végbemenetelére legkedvezőbb hatású IF kiválasztása és szükséges mennyiségének a meghatározása a kutatás lényeges eleme.
Az általunk vizsgált modellreakcióban a reagensek és az oldószerek szerepe nem tisztázott (4. ábra), aminek megállapítása elengedhetetlen a reakció mechanizmusának feltárásához és a vegyületcsalád tagjai előállításának optimalizálásában és környezetbarátabbá tételében.
4. ábra: Mi történhet a lombikban? [S10]
Módszerek
A reakciók során a megfelelő kiindulási karbonsavat reagáltattuk különböző mólarányokban vett foszfor-trikloriddal és foszforossavval a megfelelő oldószerekben (MSzS, szulfolán, IL) és az optimális hőmérsékleten, a modern preparatív szerves kémia módszereinek felhasználásával. Az előrevivő kísérletek tervezése nagy körültekintést igényelt. A kutatás során tapasztalt meglepő és érdekes eredmények folytonosan új irányt adtak az elképzeléseinknek.
Az előállított vegyületek szerkezetének azonosítása mágneses magrezonancia spektroszkópiával történt (1H, 13C és 31P NMR).
A vegyületek két foszfonsavcsoportja erős ionos karaktert és fokozott polaritást kölcsönöz a vegyületeknek, amiből kifolyólag sok nehézséget okoznak az analitikusoknak.
A biszfoszfonsav-tartalmú minták hatóanyag-tartalmának meghatározására a potenciometriás titrálás bizonyult a legmegfelelőbb módszernek, amely a vegyületek vizsgálatának egyszerű, precíz és gyors módszerének tekinthető. Előállított mintáink hatóanyagtartalmát magam határoztam meg potenciometriás titrálással a Richter Gedeon Nyrt. dorogi gyáregységében. A titrálási görbék kiértékeléséhez az elsődleges fontosságú analitikai tisztaságú, standard minták előállítását is ki kellett dolgoznom.
Az előállított vegyületek kristályvíztartalmának megállapítása termogravimetriás vizsgálattal történt.
A mólarányos kísérletek alapján koncepciókat fogalmaztunk meg a biszfoszfonsavak különböző oldószerekben képződésének mechanizmusára vonatkozóan, amelyeket magasabb szintű kvantumkémiai számításokkal támasztottuk alá.
Eddigi eredmények
Kutatásaink előtt a dronsavszármazékok előállítása egy fekete doboznak számított. A tanszéki kutatás során több dronát (etidronát (1) [S1], fenidronát (2) [S2], pamidronát (3) [6], alendronát (4) [7], ibandronát (5) [7], zoledronát (6) [8] és risedronát (7) [8]) esetén bebizonyítottuk – az irodalmi adatokkal ellentétben –, hogy MSzS-ban végzett reakcióban csak a foszfor-triklorid vesz részt, melynek az optimális mennyisége 3 ekvivalens, a foszforossav felesleges ballaszt. A benzidronát (8) [S3] és a 3-fenilpropiodronát (9) [S4] szintézisekor meglepő módon azt találtuk, hogy elengedhetetlen a foszforossav használata a foszfor-triklorid mellett MSzS-ban is. Úgy gondoljuk, hogy az előbbi esetekben a foszfor-trikloridból és MSzS-ból képződő addukt (Cl2P-O-SO2Me (10)), míg az utóbbiakban a foszfor-trikloridból és foszforossavból létrejövő nukleofilek ((HO)2P‑O‑PCl2 (11) vagy (HO)2P-O-PCl-O-P(OH)2 (12)) lehetnek az aktív P-reagensek, és ezek reagálnak a reakcióelegyben lévő savkloriddal (13) vagy vegyes-anhidriddel (14) (5. ábra).
5. ábra: Előállítási lehetőségek metánszulfonsavban [S1-S4,6-8]
Szulfolánban is megvalósítottuk a pamidronát (3) [6] és az alendronát (4) [S9] előállítását, amikor is érdekes módon azt találtuk, hogy csak a P-reagensek (PCl3 és H3PO3) együttes alkalmazásakor képződik a kívánt termék. Sikerült bizonyítanunk, hogy az oldószereknek kiemelkedő szerepük van abban, hogy milyen P-reaktánsok vesznek részt a reakciókban, és így jelentős hatásuk van a reakciók mechanizmusára is. Szulfolánban a már említett kettő ((HO)2P-O-PCl2 (11)) vagy három ((HO)2P-O-PCl-O-P(OH)2 (12)) P‑atomot tartalmazó adduktok az aktív P-reagensek, melyek a kiindulási karbonsavval vagy a reakcióelegyben képződő savkloriddal lépnek reakcióba.
A biszfoszfonátok szintézisét az elsők között tanulmányoztuk IF-ok jelenlétében (6. ábra) [S5,S8,S9]. Azt találtuk, hogy a foszfor-trikloridot és a foszforossavat – a szulfolánban végrehajtott reakciókhoz hasonlóan – együttesen szükséges alkalmazni a reakciók végbemeneteléhez.
6. ábra: A pamidronsav (3) és az alendronsav (4) szintézise ionos folyadékok jelenlétében
Mi állapítottuk meg elsőként, hogy a dronsav szintézisek során az IF-oknak csak katalitikus mennyiségben van szerepük, nagyobb mennyiségben, oldószerként való alkalmazásukkor romlik a termelés, és negatív hatással vannak a reakciókra. Az IF-ok mennyiségének termelésre gyakorolt hatását, mely az alendronát (4) esetén különösen jelentős, a 7. ábra szemlélteti. Az IL optimális mennyisége mindkét dronát esetén ~0,3‒0,6 ekvivalens.
7. ábra: Az ionos folyadék mennyiségének hatása a pamidronsav (3) ([bmim][PF6]) és az alendronát (4) ([bmim][BF4]) termelésére [S5,S8,S9]
Azt feltételezzük, hogy az IF-ok a karbonsavszármazékok karbonilcsoportjának az elektrofil karakterét tovább növelik, így segítve azok reakcióját az aktivált P reaktánsokkal (8. ábra).
8. ábra: Az ionos folyadékok reakciót elősegítő hatása
Várható impakt, további kutatás
A kutatás során várhatóan számos további, gyógyszeripari szempontból szintén kiemelkedő fontosságú biszfoszfonsav előállítását sikerül kidolgozni ionos folyadékok jelenlétében, ami nagy előrelépést jelenthet a vegyületcsalád szintézisének környezetbarátabbá tételében. Nagy kihívást jelentő feladat a reakciók mechanizmusának felderítése és az ionos folyadékok reakciókra gyakorolt pozitív hatásának a magyarázata, melyet kvantumkémiai számítások segítségével kívánunk megoldani, illetve az elképzeléseinket alátámasztani. Egy új, az eddigiektől eltérő, aldehidek és foszforossav reakcióján alapuló előállítási lehetőség kidolgozásában is nagy lehetőséget látunk. Fontos feladatnak tartjuk az ionos folyadékok megfelelő használatának további terjesztését is.
Saját publikációk, hivatkozások, linkgyűjtemény
[S1] Kovács, R.; Nagy, D. I.; Grün, A.; Balogh, Gy. T.; Garadnay, S.; Greiner, I.; Keglevich, G. Lett. Drug. Des. Discov., 2013, 10, 733–737. oldal
[S2] Kovács, R.; Nagy, D. I.; Grün, A.; Garadnay, S.; Greiner, I.; Keglevich, G. Lett. Org. Chem., 2014, 11, 368–373. oldal
[S3] Kovács, R.; Nagy, D. I.; Grüan, A.; Garadnay, S.; Greiner, I.; Keglevich, G. Lett. Drug. Des. Discov., 2015, 12, 78–84. oldal
[S4] Grün, A.; Nagy, D. I.; Németh, O.; Mucsi, Z.; Garadnay, S.; Greiner, I.; Keglevich, G. Curr. Org. Chem., 2016, 20, 1745–1752. oldal
[S5] Grün, A.; Nagy, D. I.; Garadnay, S.; Greiner, I.; Keglevich, G. Lett. Drug. Des. Discov., 2016, 13, 475–478. oldal
[S6] Nagy, D. I., Grün, A., Garadnay, S., Greiner, I., Keglevich, G. Phosphorus, Sulfur Silicon Relat. Elem., 2016, 191, 1619–1620. oldal
[S7] Nagy, D. I., Grün, A., Garadnay, S., Greiner, I., Keglevich, G. Molecules., 2016, 21, 1046–1064. oldal
[S8] Kiss, N. Z., Nagy, D. I., Keglevich, G. in Advances in chemistry research; Taylor J. C., Ed.; Nova Science Publishers: New York, 2017; Vol. 37, pp. 121–140. oldal
[S9] Nagy, D. I., Grün, A., Garadnay, S., Greiner, I., Keglevich, G. Heteroatom Chem., 2017, 28, Article No.: 21370
[S10] Nagy, D. I., Grün, A., Greiner, I., Keglevich, G. Curr. Org. Chem., 2017, 21, 1567-1578.
Linkgyűjtemény.
Hivatkozások listája.
[1] Fleisch, H.; Russell, R. G. G.; Straumann, F. Nature, 1966, 212, 901–903. oldal
[2] Breuer, E. In Analogue-based drug discovery, 2006, 371–384. oldal
[3] Hudson, H. R.; Wardle, N. J.; Bligh, S. W. A.; Greiner, I.; Grün, A.; Keglevich, G. Mini Rev. Med. Chem., 2012, 12, 313–325. oldal
[4] Russell, R. G. G. Bone, 2011, 49, 2–19. oldal
[5] Catterall, J. B.; Cawston, T. E. Arthritis Res. Ther., 2002, 5, 12–24. oldal
[6] Kovács, R.; Grün, A.; Németh, O.; Garadnay, S.; Greiner, I.; Keglevich, G. Heteroatom Chem., 2014, 25, 186–193. oldal
[7] Kovács, R.; Grün, A.; Garadnay, S.; Greiner, I.; Keglevich, G. Curr. Org. Synth., 2013, 10, 640–644. oldal
[8] Grün, A.; Aradi, K; Garadnay, S.; Greiner, I.; Keglevich, G. Tetrahedron Lett., 2011, 52, 2744–2746. oldal